基于FPGA的三電平APF諧波分頻控制
發(fā)布時間：2021-04-09 07:32
針對傳統(tǒng)串行執(zhí)行方式存在可補償諧波次數(shù)受限、補償效果不佳等問題,研究基于現(xiàn)場可編程門陣列的有源電力濾波器諧波分頻控制的實現(xiàn)。采用現(xiàn)場可編程門陣列作為控制系統(tǒng)的主控制器完成控制算法,可以顯著提高計算頻率,減小計算延時,改善控制系統(tǒng)實時性能,在現(xiàn)場可編程門陣列內構建并實現(xiàn)的諧波同步旋轉坐標系下的諧波電流分頻控制策略計算頻率最高可達77 kHz。構建了三電平有源電力濾波器數(shù)字控制系統(tǒng)并在樣機上進行了實驗,實驗結果驗證了提出的現(xiàn)場可編程門陣列全數(shù)字諧波電流分頻控制方法的正確性。
【文章來源】：電氣傳動. 2020,50(05)北大核心
【文章頁數(shù)】：5 頁
【部分圖文】：
T型三電平APF拓撲結構
FPGA中諧波電流的控制過程如圖2所示。圖2中，iha,ihb,ihc為負載電流iLa,iLb,iLc與APF輸出電流ica,icb,icc的差值，ihdn＿dq1,ihqn＿dq1為n次補償電流在基波旋轉坐標系下的指令，坐標變換所需的相位信息由綜合查表模塊提供。圖2中數(shù)據(jù)格式借鑒了Verilog語言中的表達方式，如16"b表示了該數(shù)據(jù)為16位2進制數(shù)。實現(xiàn)圖2的控制過程需要在FPGA內設計數(shù)字低通濾波器來提取電流信號變換到dqn坐標系后包含的直流信號。IIR型低通濾波器的實現(xiàn)可以分為直接Ⅰ型、直接Ⅱ型。由于數(shù)字低通濾波器存在各項非整數(shù)系數(shù)，F(xiàn)PGA內無法直接進行計算，因此要對系數(shù)進行量化，將其轉換為在FP-GA中可以實現(xiàn)計算的整數(shù)。相比于直接Ⅰ型結構，直接Ⅱ型結構需要增加一步對中間移位寄存器的數(shù)據(jù)截斷，此時的截斷誤差經(jīng)疊加后會進一步造成計算結果的偏移，在復用硬件乘法器的設計結構下，直接Ⅱ型結構若想實現(xiàn)相同精度的濾波效果，在運算過程中需要采用比直接Ⅰ型結構更多的運算位數(shù)�？紤]到資源占用問題，在FP-GA中的諧波電流控制過程采用級聯(lián)的直接Ⅰ型結構。
基于上述分析，在FPGA內實現(xiàn)的諧波分頻補償控制策略框圖如圖3所示�？刂撇呗园粋�基波控制環(huán)和一組諧波控制環(huán)�；ǹ刂骗h(huán)主要負責維持直流側電壓恒定；多諧波控制環(huán)將負載電流與APF輸出的補償電流做差后進行上述坐標變換，并利用設計的級聯(lián)直接Ⅰ型結構低通濾波器濾除交流量后，將該值作為誤差信號送入PI控制器，PI控制器輸出對應的電流指令值。將該指令按上述方法進行電流指令綜合及解耦，最后將基波dq坐標系下的電流指令送入空間矢量脈寬調制（space vector pulse width modulation,SVPWM）模塊。針對圖3，需要分別對每次諧波進行提取計算和控制，若采用串行執(zhí)行指令方式的主控制器，控制性能會受到影響。FPGA本身特有的硬件并行架構可以同時對每次諧波進行提取計算和控制，補償實時性和補償效果都將大大改善，進一步滿足APF對快速性、靈活性的需求。執(zhí)行在FPGA內構建的諧波電流分頻控制策略，各模塊串并行安排與所需執(zhí)行時間如圖4所示。由圖4可知，各次諧波電流的控制、三角函數(shù)查表操作與直流母線電壓控制分別并行執(zhí)行，整個系統(tǒng)由啟動采樣至最終調制完成僅需約13μs，即實現(xiàn)完整的諧波電流分頻控制策略計算頻率最高可達77 kHz。在該FPGA設計架構下，只需并行增加指定次諧波電流控制，在綜合查表模塊中增加查表狀態(tài)，并根據(jù)增加的補償諧波數(shù)目在電流指令綜合模塊中新增對應的加法計算，即可提高系統(tǒng)可補償諧波的次數(shù)。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于靜止坐標系的改進型APF分頻電流控制策略[J]. 周京華,張榮,章小衛(wèi),陳亞愛. 電氣傳動. 2018(11)
[2]T型三電平APF電流跟蹤控制策略研究[J]. 張廣闊,郝怡鵬,艾冰,周皓. 電力電子技術. 2018(09)
[3]有源電力濾波器改進無差拍-重復控制策略[J]. 梁營玉,劉建政,李治艷. 電工技術學報. 2018(19)
[4]基于FPGA的模塊化通用型電力電子控制平臺[J]. 牟昱東,張建文,朱淼,蔡旭. 電力電子技術. 2016(08)
[5]基于同步旋轉坐標系的有源電力濾波器控制延時動態(tài)預測補償策略[J]. 許勝,費樹岷,趙劍鋒,黃允凱. 電工技術學報. 2016(12)
[6]多同步旋轉坐標系下指定次諧波電流控制[J]. 張樹全,戴珂,謝斌,余蜜,康勇. 中國電機工程學報. 2010(03)
碩士論文
[1]基于FPGA的T型三電平有源電力濾波器裝置研制[D]. 張新雷.北方工業(yè)大學 2019
本文編號：3127206
【文章來源】：電氣傳動. 2020,50(05)北大核心
【文章頁數(shù)】：5 頁
【部分圖文】：
T型三電平APF拓撲結構
FPGA中諧波電流的控制過程如圖2所示。圖2中，iha,ihb,ihc為負載電流iLa,iLb,iLc與APF輸出電流ica,icb,icc的差值，ihdn＿dq1,ihqn＿dq1為n次補償電流在基波旋轉坐標系下的指令，坐標變換所需的相位信息由綜合查表模塊提供。圖2中數(shù)據(jù)格式借鑒了Verilog語言中的表達方式，如16"b表示了該數(shù)據(jù)為16位2進制數(shù)。實現(xiàn)圖2的控制過程需要在FPGA內設計數(shù)字低通濾波器來提取電流信號變換到dqn坐標系后包含的直流信號。IIR型低通濾波器的實現(xiàn)可以分為直接Ⅰ型、直接Ⅱ型。由于數(shù)字低通濾波器存在各項非整數(shù)系數(shù)，F(xiàn)PGA內無法直接進行計算，因此要對系數(shù)進行量化，將其轉換為在FP-GA中可以實現(xiàn)計算的整數(shù)。相比于直接Ⅰ型結構，直接Ⅱ型結構需要增加一步對中間移位寄存器的數(shù)據(jù)截斷，此時的截斷誤差經(jīng)疊加后會進一步造成計算結果的偏移，在復用硬件乘法器的設計結構下，直接Ⅱ型結構若想實現(xiàn)相同精度的濾波效果，在運算過程中需要采用比直接Ⅰ型結構更多的運算位數(shù)�？紤]到資源占用問題，在FP-GA中的諧波電流控制過程采用級聯(lián)的直接Ⅰ型結構。
基于上述分析，在FPGA內實現(xiàn)的諧波分頻補償控制策略框圖如圖3所示�？刂撇呗园粋�基波控制環(huán)和一組諧波控制環(huán)�；ǹ刂骗h(huán)主要負責維持直流側電壓恒定；多諧波控制環(huán)將負載電流與APF輸出的補償電流做差后進行上述坐標變換，并利用設計的級聯(lián)直接Ⅰ型結構低通濾波器濾除交流量后，將該值作為誤差信號送入PI控制器，PI控制器輸出對應的電流指令值。將該指令按上述方法進行電流指令綜合及解耦，最后將基波dq坐標系下的電流指令送入空間矢量脈寬調制（space vector pulse width modulation,SVPWM）模塊。針對圖3，需要分別對每次諧波進行提取計算和控制，若采用串行執(zhí)行指令方式的主控制器，控制性能會受到影響。FPGA本身特有的硬件并行架構可以同時對每次諧波進行提取計算和控制，補償實時性和補償效果都將大大改善，進一步滿足APF對快速性、靈活性的需求。執(zhí)行在FPGA內構建的諧波電流分頻控制策略，各模塊串并行安排與所需執(zhí)行時間如圖4所示。由圖4可知，各次諧波電流的控制、三角函數(shù)查表操作與直流母線電壓控制分別并行執(zhí)行，整個系統(tǒng)由啟動采樣至最終調制完成僅需約13μs，即實現(xiàn)完整的諧波電流分頻控制策略計算頻率最高可達77 kHz。在該FPGA設計架構下，只需并行增加指定次諧波電流控制，在綜合查表模塊中增加查表狀態(tài)，并根據(jù)增加的補償諧波數(shù)目在電流指令綜合模塊中新增對應的加法計算，即可提高系統(tǒng)可補償諧波的次數(shù)。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于靜止坐標系的改進型APF分頻電流控制策略[J]. 周京華,張榮,章小衛(wèi),陳亞愛. 電氣傳動. 2018(11)
[2]T型三電平APF電流跟蹤控制策略研究[J]. 張廣闊,郝怡鵬,艾冰,周皓. 電力電子技術. 2018(09)
[3]有源電力濾波器改進無差拍-重復控制策略[J]. 梁營玉,劉建政,李治艷. 電工技術學報. 2018(19)
[4]基于FPGA的模塊化通用型電力電子控制平臺[J]. 牟昱東,張建文,朱淼,蔡旭. 電力電子技術. 2016(08)
[5]基于同步旋轉坐標系的有源電力濾波器控制延時動態(tài)預測補償策略[J]. 許勝,費樹岷,趙劍鋒,黃允凱. 電工技術學報. 2016(12)
[6]多同步旋轉坐標系下指定次諧波電流控制[J]. 張樹全,戴珂,謝斌,余蜜,康勇. 中國電機工程學報. 2010(03)
碩士論文
[1]基于FPGA的T型三電平有源電力濾波器裝置研制[D]. 張新雷.北方工業(yè)大學 2019
本文編號：3127206
本文鏈接：http://sikaile.net/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3127206.html
教材專著
